复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统及方法

本发明涉及有限元参数化建模，具体是一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统及方法。

背景技术：

1、飞机前缘缝翼等关键气动部件在服役中常遭受冰雹、飞石等外物撞击（fod），产生凹坑（dent）损伤。这些损伤会破坏气动外形并削弱结构的屈曲稳定性。在进行损伤容限分析时，传统的建模方法存在以下缺陷：

2、直接几何建模法：依赖手工cad操作，无法实现批量化，且在双曲率曲面上进行投影切割时容易产生几何拓扑错误。

3、物理冲击模拟法：虽然真实，但计算成本极高，且难以精确控制凹坑生成的最终几何尺寸（如指定深度和直径），不适合大规模参数化分析。

4、网格变形法：直接修改节点坐标容易导致单元畸变，且生成的模型几何不可追溯，难以进行后续的cad交互。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统及方法，基于异构协同架构，利用python进行流程控制与几何操作，利用matlab进行核心数学计算，实现了复杂曲面上凹坑损伤的高精度、高效率参数化建模。

2、本发明提供了一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统，基于abaqus有限元软件平台与matlab计算引擎构建三层架构系统，包括表现层、逻辑层和计算层；

3、表现层：基于abaqus gui toolkit开发，接收用户输入的凹坑参数，包括数量、深度范围、直径范围、分布区域；

4、逻辑层：采用python控制核心，负责提取有限元模型数据、调用matlab引擎、执行几何建模指令；

5、计算层：采用matlab计算引擎，负责点云处理、法向估计与布局规划。

6、本发明提供了一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，包括以下步骤：

7、步骤1）几何数据提取与预处理：在gui中指定目标部件，逻辑层通过abaqus api遍历部件所有节点，提取节点坐标 ，生成点云文件；

8、步骤2）空间索引与法向估计：通过matlab引擎读取点云数据，调用kd treesearcher构建k-d树，将每一个损伤生成位置记为锚点，进行以下处理：

9、2.1）邻域搜索：利用k-d树快速查找锚点的个最近邻点；

10、2.2）pca计算：对邻域点集进行中心化处理，计算协方差矩阵，对进行特征值分解；

11、2.3）法向确定：取最小特征值对应的特征向量作为切平面法向；

12、2.4）方向校正：计算向量，即投影后的曲面局部点云质心指向目标查询点 p 的方向向量点坐标，若，则翻转法向，确保法向统一指向曲面外侧；

13、步骤3）几何参数映射：将工程定义的损伤参数转化为布尔运算所需的球体参数；

14、步骤4）针对随机损伤模式进行约束随机布局；

15、步骤5）高效批量建模：逻辑层解析matlab返回的方案文件，进行工具体创建、装配定位和批量布尔操作；

16、步骤6）稳健的特征识别与后处理：移除球体残留的“盖子”并倒圆角。

17、进一步改进，步骤3）所述几何参数映射中，若将工程定义的损伤参数定义为深度，口部直径，则布尔运算所需的球体参数如下：

18、球体半径：利用勾股定理推导，公式为；

19、球心位置：沿法向向曲面内侧偏移，公式为。

20、进一步改进，步骤4）所述针对随机损伤模式进行约束随机布局具体过程如下：若用户选择随机模式，系统执行“生成-测试”循环：

21、4.1）随机采样：在包围盒内随机生成锚点和尺寸参数；

22、4.2）边界约束：验证凹坑投影圆是否完全落在部件边界内；

23、4.3）间距约束：验证新凹坑与已生成凹坑的距离是否满足，其中为最小间距，式中，pi 和 ai分别表示当前新生成的候选凹坑的中心空间坐标与口部半径；pj和aj分别表示已生成凹坑集合中第j个凹坑的中心坐标与口部半径。

24、进一步改进，步骤5）所述高效批量建模具体行以下操作：

25、工具体创建：基于计算出的，在草图中绘制半圆并旋转生成球体部件；

26、装配定位：将球体实例平移至计算出的球心坐标；

27、批量布尔：摒弃循环cut操作，将所有球体实例放入一个列表instances，调用命令：

28、instancefrombooleanmerge(name='damagedpart', instances=(base_part, )+ tuple(sphere_instances), keepintersections=on)。

29、进一步改进，步骤6）所述移除球体残留的“盖子”并倒圆角过程具体如下：

30、6.1）面移除：计算探测点，拾取外凸球面并删除；

31、6.2）圆角创建：

32、6.21）获取基准曲面的边集合edges_a = base_part.edges；

33、6.22）获取内凹球面的边集合edges_b = sphere_face.getedges()；

34、6.24）利用集合运算求交集：target_edges = edges_a & edges_b；

35、6.24）对target_edges施加倒角操作。

36、本发明有益效果在于：

37、1、数学精度高：引入pca算法，解决了传统方法在离散网格上法向估计不准导致凹坑歪斜的问题。

38、2、建模效率高：批量布尔运算策略解决了大规模随机损伤（如冰雹撞击）建模时的性能瓶颈。

39、3、拓扑稳定性强：基于拓扑集合交集的后处理技术，保证了在不同网格密度和曲率下均能正确识别倒角边缘。

1.一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统，其特征在于：基于abaqus有限元软件平台与matlab计算引擎构建三层架构系统，包括表现层、逻辑层和计算层；

2.根据权利要求1所述的复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模系统，其特征在于：所述用户输入的凹坑参数包括数量、深度范围、直径范围、分布区域。

3.一种复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，其特征在于包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，其特征在于：步骤3）所述几何参数映射中，若将工程定义的损伤参数定义为深度，口部直径，则布尔运算所需的球体参数如下：

5.根据权利要求3所述的复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，其特征在于：步骤4）所述针对随机损伤模式进行约束随机布局具体过程如下：若用户选择随机模式，系统执行“生成-测试”循环：

6.根据权利要求3所述的复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，其特征在于：步骤5）所述高效批量建模具体行以下操作：

7.根据权利要求3所述的复杂曲面凹坑损伤参数化自动建模方法，其特征在于：步骤6）所述移除球体残留的“盖子”并倒圆角过程具体如下：